JP3662465B2 - 角型スパイラルアンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は角型スパイラルアンテナに関し、特に、移動体無線通信や衛星通信などに用いられ、広帯域で円偏波に対応する角型スパイラルアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
移動体通信や衛星放送やレーダなどの通信分野においては、偏波面の傾きに関わらず受信できるように円偏波の電波を使用している。これらの通信においては、送受信を同時に行なうために、複数の周波数を使用する必要があり、広帯域の電波が必要になる。したがって、使用するアンテナとしては、広い帯域にわたって円偏波を送受信できることが要求される。また、移動体搭載用アンテナとしては、小型，薄型に構成できるものが求められる。
【０００３】
それゆえに、この発明の主たる目的は、良好な軸比を広い周波数帯域にわたって得ることができる小型，薄型の角型スパイラルアンテナを提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明は円偏波に対応する角型スパイラルアンテナであって、方形状の誘電体と、誘電体の一方面に設けられる接地導体と、誘電体の他方面に設けられ、８個のマイクロストリップラインを結合してなる単線スパイラルと、接地導体側から挿入される同軸線とを備え、使用される周波数の実効波長をλａとしたときに、単線スパイラルのマイクロストリップラインの全長が１λａ以内の長さであり、最外周長が１λａ以上であって、２λａ以下の長さに選ばれており、同軸線の芯線がマイクロストリップラインの一端に接続され、同軸線のアース線が接地導体に接続され、単線スパイラルの中心から該単線スパイラルの端部に向かって８個目のマイクロストリップラインの長さをｘとしたとき、ｘが０．０１５λａ≦ｘ≦０．３λａの範囲の長さに選ばれていることを特徴とする。
【０００５】
好ましくは、ｘが０．１５λａの長さである。
【０００６】
より好ましくは、角型スパイラルアンテナの使用周波数は５．８ＧＨｚであり、誘電体は縦横が１６．５ｍｍ，高さが６．０ｍｍの形状であって、その誘電率が４．４に選ばれていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態の角型スパイラルアンテナの概略図であり、図２は同じく側面図であり、図３は角型スパイラルアンテナのスパイラル状マイクロストリップラインの上面図である。
【００１１】
図１において、角型スパイラルアンテナは、接地導体１と、誘電体層２と、角型スパイラル状マイクロストリップライン３とから構成されている。
【００１２】
接地導体１としては、特に限定されるものではないが、導電性の高い銅などの導体が望ましい。誘電体層２としては、ガラスエポキシ樹脂，テフロン，アルミナなどの使用周波数領域での誘電損失が小さい誘電体材料が用いられる。この実施形態では、誘電体層２として、誘電率４．４のものが用いられ、外径寸法は縦横が１６．５ｍｍ，高さが６．０ｍｍの大きさに形成される。
【００１３】
角型スパイラル状マイクロストリップライン３は、使用周波数領域での導体損が小さく、また加工しやすい導体材料が用いられる。この実施形態では、角型スパイラル状マイクロストリップライン３は、印刷法で形成され、そのライン幅は０．６ｍｍに選ばれる。そして、角型スパイラル状マイクロストリップライン３は、８個の線路から構成される。角型スパイラル状マイクロストリップライン３には、接地導体１側から挿入された同軸線４の芯線が接続されて高周波信号が給電される。また、同軸線４のアース部は接地導体１に接続される。
【００１４】
角型スパイラル状マイクロストリップライン３の全長Ａは使用される周波数の実効波長をλａとしたとき、
Ａ＜λａ
で規定され、使用される周波数の真空中での波長をλ０とし、ストリップラインに対する実効誘電率をεｅｆｆとしたとき、
λａ＝λ０／√εｅｆｆ
で表わされる。
【００１５】
ここでは、使用周波数として５．８ＧＨｚを採用している。このとき、実効波長λａ＝３０ｍｍであり、スパイラル状マイクロストリップライン３の全長はλａ以内となっている。また、このときの角型スパイラル状マイクロストリップライン３を構成している８個のマイクロストリップラインにおいて、スパイラル中心からスパイラル端に向かって８個目のマイクロストリップラインの長さをｘとする。
【００１６】
図３において、破線Ｌは角型スパイラル状マイクロストリップライン３の最外周長を示している。このとき、Ｌは１λａを越え、２λａ以内の長さとなっている。
【００１７】
図４は図１に示した実施形態のマイクロストリップラインの長さｘを変化させたときのアンテナ軸比を示したグラフである。この図４のグラフからわかるように、０．０１５λａ≦ｘ≦０．３λａの範囲でｘの長さを変化させていくと、軸比３ｄＢ以下が実現できていることがわかる。グラフの結果から、最も良好な軸比を実現できるｘの値はｘ＝０．１５λａであり、このときのアンテナ軸比は５．８ＧＨｚにおいて、０．４１ｄＢとなる。
【００１８】
図５は、マイクロストリップラインの長さｘを変化させたとき、軸比が３ｄＢ以下となる周波数帯域を示したグラフである。軸比３ｄＢ以下を良好な円偏波特性と定義すると、広い周波数帯域にわたって良好な円偏波特性の得られていることがわかる。
【００１９】
図６はｘ＝０．１５λａのときの軸比と周波数の関係のグラフである。図６のグラフから、ｘ＝０．１５λａのとき、軸比３ｄＢ以下となる周波数は５．５８ＧＨｚから６．０９ＧＨｚで、その帯域は５０８ＭＨｚである。
【００２０】
さらに、図７は、ｘ＝０．１５λａのときのアンテナの定在波比特性（ＶＳＷＲ）のグラフを示す。ＶＳＷＲ≦２となる周波数帯域をアンテナとして使用可能な帯域と定義すると、ＶＳＷＲ≦２となる周波数は５．１１ＧＨｚから６．５ＧＨｚ以上の範囲である。これは、円偏波となる周波数帯域を十分にカバーしており、５．５８ＧＨｚから６．０９ＧＨｚの周波数帯域で円偏波アンテナとして使用可能であることがわかる。
【００２１】
また、図８は、ｘ＝０．１５λａのアンテナのＹ−Ｚ面放射パターンを示し、図９は同じくＸ−Ｚ面放射パターンを示す。図８および図９では、アンテナ面をＸ−Ｙ平面とし、アンテナ面の垂直方向をＺ軸としている。これらの図８および図９は右旋偏波の放射パターンを示しており、この発明の一実施形態のアンテナは右旋偏波を実現できていることがわかる。利得を測定したところ、５．８ＧＨｚのとき５．８ｄＢｉであった。
【００２２】
図１０は、この発明の他の実施形態の角型スパイラルアンテナの概略図であり、図１１は同じく接地導体側から見た図である。この実施形態では、アンテナ裏面の接地導体１の一部が切欠かれ、ここにコプレーナ線路５が設けられ、角型スパイラル状マイクロストリップライン３への給電をアンテナ側方から挿入された同軸線からコプレーナ線路５を介して行なっている。この実施形態においても、角型スパイラル状マイクロストリップラインを構成している８個のマイクロストリップラインにおいて、スパイラル中心から端に向かって８個目のマイクロストリップラインの長さをｘとする。
【００２３】
図１２はこのマイクロストリップラインの長さｘを変化させたときのアンテナ軸比を示したグラフである。この図１２に示したグラフからわかるように、０．０１５λａ≦ｘ≦０．３λａの範囲でｘの長さを変化させていくと、軸比３ｄＢ以下が実現できていることがわかる。このグラフの結果から、最も良好な軸比を実現できるｘの値は、ｘ＝０．１７λａであり、このときのアンテナ軸比は５．５ＧＨｚにおいて０．４５ｄＢである。
【００２４】
図１３はマイクロストリップラインの長さｘを変化させたとき、軸比が３ｄＢ以下となる周波数帯域を示したグラフである。軸比３ｄＢ以下を良好な円偏波特性と定義すると、広い周波数帯域にわたって良好な円偏波特性の得られていることがわかる。
【００２５】
図１４はｘ＝０．１７λａのときの軸比と周波数の関係のグラフである。グラフからｘ＝０．１７λａのとき、軸比３ｄＢ以下となる周波数は５．２９ＧＨｚから５．９３ＧＨｚで、その帯域は６４０ＭＨｚである。
【００２６】
図１５はｘ＝０．１７λａのときのアンテナの定在波比特性（ＶＳＷＲ）のグラフを示す。ＶＳＷＲ≦２となる周波数帯域をアンテナとして使用可能な帯域とすると、ＶＳＷＲ≦２となる周波数は５．４ＧＨｚから６．５ＧＨｚ以上の範囲にある。したがって、この実施形態によれば、５．４ＧＨｚから５．９３ＧＨｚの帯域で円偏波アンテナとして使用可能であることがわかる。
【００２７】
図１６は、ｘ＝０．１７λａのアンテナのＹ−Ｚ面の放射パターンを示し、図１７は同じくＸ−Ｚ面の放射パターンを示す。図１６および図１７においては、アンテナ面をＸ−Ｙ平面とし、アンテナ面の垂直方向をＺ軸としている。また、図１６および図１７は右旋偏波の放射パターンを示しており、この実施形態のアンテナにおいても右旋偏波を実現できていることわかる。また、利得の測定を行なったところ、５．５ＧＨｚのとき４．６ｄＢｉであった。
【００２８】
なお、上述の実施形態で説明した周波数はこの発明の角型スパイラルアンテナにおける使用周波数の一例であり、この周波数に限定されるものではない。
【００２９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、８個のマイクロストリップラインを結合してなる単線スパイラルにおいて、スパイラル中心からスパイラル端に向かって８個目のマイクロストリップライン長を変えることで、円偏波軸比，アンテナ周波数帯域などを制御することができる。これにより、良好な円偏波軸比を広い周波数帯域にわたって得ることができる。また、角型スパイラル状マイクロストリップラインの全長を１λａ以内の長さであり、最外周長が１λａ以上であって２λａ以下の長さに選ぶことによって小型アンテナを実現できる。
【００３１】
また、アンテナの接地導体側にコプレーナ線路を設けても、良好な円偏波特性を広い周波数帯域にわたって実現できる。また、このようなコプレーナ線路を設けることで、アンテナ面に対して垂直方向に給電を行なう同軸線路からの給電に比べ、アンテナ面の側方からの給電が可能なため、給電周りを含めたアンテナ全体の構造における高さを低くでき、薄型化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施形態の角型スパイラルアンテナの概略図である。
【図２】 この発明の一実施形態の角型スパイラルアンテナの側面図である。
【図３】 角型スパイラルアンテナのスパイラル状マイクロストリップラインの上面図である。
【図４】 マイクロストリップラインの長さｘを変化させたときのアンテナ軸比を示したグラフである。
【図５】 マイクロストリップラインの長さｘを変化させたとき、軸比が３ｄＢ以下となる周波数帯域を示したグラフである。
【図６】 ｘ＝０．１５λａのときの軸比と周波数の関係のグラフである。
【図７】 ｘ＝０．１５λａのときのアンテナの定在波比特性のグラフを示す図である。
【図８】 ｘ＝０．１５λａのアンテナのＹ−Ｚ面放射パターンを示す図である。
【図９】 ｘ＝０．１５λａのアンテナのＸ−Ｚ面放射パターンを示す図である。
【図１０】 この発明の他の実施形態の角型スパイラルアンテナの概略図である。
【図１１】 この発明の他の実施形態の角型スパイラルアンテナを接地導体側から見た図である。
【図１２】 この発明の他の実施形態の角型スパイラルアンテナの軸比とｘ長さの関係を示すグラフである。
【図１３】 この発明の他の実施形態の角型スパイラルアンテナの円偏波特性が得られる周波数帯域を示すグラフである。
【図１４】 この発明の他の実施形態の角型スパイラルアンテナの軸比と周波数の関係を示すグラフである。
【図１５】 この発明の他の実施形態の角型スパイラルアンテナの定在波比特性を示すグラフである。
【図１６】 この発明の他の実施形態の角型スパイラルアンテナのＹ−Ｚ面放射パターンを示す図である。
【図１７】 この発明の他の実施形態の角型スパイラルアンテナのＸ−Ｚ放射パターンを示す図である。
【符号の説明】
１ 接地導体、２ 誘電体層、３ 単線スパイラル、４ 同軸線、５ コプレーナ線路。

Claims (3)

1. 円偏波に対応する角型スパイラルアンテナであって、
   方形状の誘電体、
   前記誘電体の一方面に設けられる接地導体、
   前記誘電体の他方面に設けられ、８個のマイクロストリップラインを結合してなる単線スパイラル、および
   前記接地導体側から挿入される同軸線を備え、
   使用される周波数の実効波長をλａとしたときに、前記単線スパイラルのマイクロストリップラインの全長が１λａ以内の長さであり、最外周長が１λａ以上であって、２λａ以下の長さに選ばれており、
   前記同軸線の芯線が前記マイクロストリップラインの一端に接続され、前記同軸線のアース線が前記接地導体に接続され、
   前記単線スパイラルの中心から該単線スパイラルの端部に向かって８個目のマイクロストリップラインの長さをｘとしたとき、ｘが０．０１５λａ≦ｘ≦０．３λａの範囲の長さに選ばれていることを特徴とする、角型スパイラルアンテナ。
2. 前記ｘが０．１５λａの長さである、請求項１に記載の角型スパイラルアンテナ。
3. 前記角型スパイラルアンテナの使用周波数は５．８ＧＨｚであり、
   前記誘電体は縦横が１６．５ｍｍ，高さが６．０ｍｍの形状であって、その誘電率が４．４に選ばれていることを特徴とする、請求項１または２に記載の角型スパイラルアンテナ。

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